VI.- AEROGENERADORES MODERNOS pfernandezdiez.es

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1 VI.- AEROGENERADORES MODERNOS.es VI.1.- INTRODUCCIÓN Opciones de diseño en generadores y conexión a red.- La parte eléctrica se puede diseñar tanto con generadores síncronos como asíncronos, y con varias formas de conexión del generador, directa o indirecta, a la red. La conexión directa a red significa que el generador está conectado directamente a la red de corriente alterna (generalmente trifásica). La conexión indirecta a red significa que la corriente que viene del alternador pasa a través de una serie de dispositivos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red; en generadores asíncronos esto ocurre de forma automática. Opciones de velocidades del generador.- La topología empleada para convertir la energía mecánica procedente del viento en energía eléctrica condiciona directamente el comportamiento de la aeroturbina en cuanto a su velocidad de rotación. La forma en que dicha velocidad pueda variar es decisiva en cuanto: Al aprovechamiento del recurso eólico, por la variación del TSR Al impacto por la interconexión del aerogenerador a la red eléctrica A las solicitaciones mecánicas a las que se ve sometido Velocidad constante.- En estas máquinas la variación de la velocidad es menor del 2%; para conseguir un mayor aprovechamiento del viento, la configuración más utilizada es la de un motor asíncrono directamente conectado a la red eléctrica; una variante muy extendida es la de emplear un generador asíncrono con dos devanados, uno de 6 polos para velocidades del viento bajas y otro de 4 polos para velocidades del viento mayores. Velocidad prácticamente constante.- En estas máquinas la variación de la velocidad es menor del 10%; son generadores asíncronos con resistencias en el rotor, de forma que permiten mayores desviaciones de deslizamiento. Velocidad variable.- Son las máquinas con mayor presencia en el mercado; son generadores asíncronos doblemente alimentados y generadores síncronos conectados a la red mediante un enlace de con Aerogeneradores modernos.vi.-133

2 tinua; en ambos casos las variaciones de velocidad obtenidas son similares. En la segunda opción se encuentran los sistemas de transmisión directa que utilizan un generador síncrono multipolos sin caja multiplicadora. Generador Arrancador suave Transformador Caja de engranajes Banco de condensadores Fig VI.1.- Aerogenerador de velocidad fija con banco de condensadores Sistema de refrigeración.- Los generadores necesitan refrigeración durante su funcionamiento. En la mayoría de las aeroturbinas la refrigeración se lleva a cabo encapsulando el generador en un conducto, utilizando un gran ventilador para la refrigeración por aire. Algunos fabricantes usan generadores refrigerados por agua, que se construyen de forma más compacta, lo que les proporciona algunas ventajas en cuanto a rendimiento eléctrico, aunque precisan de un radiador en la góndola para eliminar el calor del sistema de refrigeración. VI.2.- SISTEMAS DE CONTROL VELOCIDAD DE LA AEROTURBINA Funcionamiento por variación del ángulo de paso, (Pitch control).- El control de la potencia por variación del ángulo de paso de las palas, (control del par torsor para evitar sobrecargas en la caja multiplicadora y en el generador), es un proceso mecánico, lo que implica que el tiempo de reacción del mecanismo de cambio del ángulo de paso viene a ser un factor crítico en el diseño de la turbina. En un generador se puede empezar a aumentar el deslizamiento una vez se esté cerca de la potencia nominal de la turbina. La estrategia de control, aplicada en un diseño ampliamente utilizado en turbinas danesas, es la de hacer funcionar el generador a la mitad de su deslizamiento máximo cuando la turbina está funcionando próxima a su potencia nominal. Se diferencian dos estrategias de control de potencia, según que la potencia generada esté por encima o por debajo del régimen de funcionamiento nominal: a) Cuando sopla una ráfaga de viento, se supera la potencia nominal; las señales del mecanismo de control hacen que el deslizamiento aumente permitiendo que el rotor gire un poco más rápidamente, hasta que el mecanismo de cambio de paso de las palas pueda hacer frente a la situación, orientándolas, pasando a capturar menos potencia del viento; una vez que el mecanismo de cambio de paso ha hecho su trabajo, el deslizamiento disminuye de nuevo. Aerogeneradores modernos.vi.-134

3 b) En el caso de que el viento caiga de repente, el mecanismo aplicado es el inverso. El control comprueba varias veces por segundo la potencia generada, al igual que en el caso anterior, y como interesa capturar la máxima energía posible del viento, el control modifica el ángulo de paso al óptimo. Aunque estos conceptos puedan parecer simples, asegurar que los dos mecanismos de control cooperan de forma eficiente es todo un reto técnico. El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele ser hidráulico o mediante motores de continua, alojados en el cubo. Fig VI.2.- Curvas de potencia para máquinas reguladas por Pitch, Stall y Pitch-Stall Control por pérdida aerodinámica, (Stall control).- Los aerogeneradores de regulación por pérdida aerodinámica tienen las palas unidas al cubo en ángulo fijo; el perfil de la pala está diseñado aerodinámicamente para asegurar la pérdida de sustentación al alcanzar la velocidad de diseño. La principal ventaja de la regulación por pérdida aerodinámica es que se evitan las partes móviles del rotor y el complejo sistema de control. En contra, presenta un problema de diseño aerodinámico muy complejo, con las complicaciones que se derivan de las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación. El ángulo de incidencia del viento es mayor en la base de la pala (unida al cubo) que en la punta (donde ya se ha desviado el tubo de corriente); la pala está torsionada con el fin de que el ángulo de ataque sea el óptimo en toda ella para provocar gradualmente, a velocidades del viento altas, la pérdida de sustentación a lo largo de la misma. Control activo por pérdida aerodinámica, (Active stall control).- En los aerogeneradores de mayor potencia se ha incorporado un active stall en el que las palas pueden girar sólo unos grados, menos de 10º, pitch, para ajustar mejor el perfil de stall (pérdida) en la zona de altas velocidades del viento (18 25 m/seg). Técnicamente estos aerogeneradores se parecen a los de regulación por cambio del ángulo de paso, dado que ambos tienen las palas orientables. Para obtener una fuerza de giro razonable Aerogeneradores modernos.vi.-135

4 mente alta a velocidades del viento bajas, las palas se orientan (como máximo 10º) como en los aerogeneradores de regulación por cambio del ángulo de paso. Sin embargo, cuando el aerogenerador alcanza la velocidad nominal presenta una diferencia importante respecto a la regulación por cambio del ángulo de paso; si el generador se sobrecarga, las palas de la turbina se orientan en sentido contrario al que lo harían las reguladas por cambio del ángulo de paso, es decir, se aumenta el ángulo de paso de las palas para que se produzca antes la pérdida de sustentación, con el fin de consumir el exceso de energía del viento generando turbulencias. La principal ventaja de la regulación activa por pérdida aerodinámica es que la producción de potencia se controla con más exactitud que con la regulación pasiva y, además, la máquina puede funcionar casi a potencia nominal para un amplio rango de velocidades del viento (en el caso de un aerogenerador con regulación pasiva por pérdida aerodinámica, a altas velocidades del viento se produce una caída en la producción de energía eléctrica, ya que las palas tienen una pérdida de sustentación mayor). El mecanismo de regulación suele ser hidráulico o eléctrico y se aloja en el cubo. Control de la potencia.- La potencia generada en los aerogeneradores procede del viento, que no es controlable, por lo que se requiere de un sistema de regulación que controle la energía extraída por el rotor. El punto de funcionamiento de la turbina eólica se determina continuamente con la velocidad y la variación del viento, pudiéndose distinguir unos estados operativos básicos, que supervisa continuamente el sistema de control: a) Turbina parada, consecuencia de que la velocidad del viento es menor que la velocidad de conexión, (suele ser de 3 a 5 m/seg), o que la velocidad del viento sea muy elevada b) Turbina a carga parcial, en la que interesa capturar del viento la máxima energía posible para llegar cuanto antes a la potencia nominal, que será la velocidad del viento, entre 12 y 15 m/seg c) Turbina a plena carga, en la que la velocidad del viento es mayor que la nominal y menor que la de desconexión, del orden de 25 m/seg otro El control de aerogeneradores consiste en un sistema de: Supervisión Control de la potencia y velocidad El sistema de control encargado de la supervisión, a partir de las mediciones, genera: - Valores de referencia para el sistema de control de potencia y de la velocidad - Señales de control secuenciales, haciendo posible que el aerogenerador pase de un estado operativo a - Chequeos secuenciales del estado del aerogenerador, realizando las funciones de protección Control de potencia ( que actúa sobre el rotor ) El sistema de, se Control de velocidad ( que actúa sobre el convertidor que gobierna el generador ) puede considerar como dos subsistemas por separado. El de potencia controla el par, suavizando la potencia de salida del aerogenerador, amortiguando las oscilaciones electromecánicas. El de velocidad controla el ángulo de paso de las palas, con el fin de: - Capturar toda la energía posible para unas condiciones atmosféricas dadas - Proteger el rotor, el generador y los equipos de electrónica de potencia de sobrecargas durante ráfagas Aerogeneradores modernos.vi.-136

5 de viento - Proteger las partes mecánicas de la aeroturbina después de la pérdida de carga, momento en que crece la velocidad del rotor, pudiéndose producir el embalamiento A carga parcial se pueden considerar dos tipos básicos de sistemas de control de aeroturbinas: El primero se basa en que la máxima potencia extraible del viento es para un TSR óptimo. La memoria del sistema de control tiene almacenada la curva característica de potencia de la aeroturbina y, como continuamente se están midiendo la velocidad del viento y del rotor, se calcula el TSR correspondiente y se le compara con el óptimo de referencia. La señal de error se transmite al sistema de control que modifica la velocidad de la aeroturbina minimizando el error. El segundo se basa en la potencia máxima. Cuando el aerogenerador está en funcionamiento, la velocidad del rotor puede aumentar o disminuir en pequeños incrementos, midiéndose continuamente la potencia generada en función de la velocidad del viento. Si la variación de la potencia es del rotor disminuye y si dn dw dn dw > 0, la velocidad del rotor se incrementa; si 0, la velocidad del rotor no se modifica. La estructura del sistema de control depende del tipo de aerogenerador utilizado. dn dw < 0, la velocidad Para aerogeneradores de velocidad constante (con variación del ángulo de paso), el sistema de control actúa sobre las palas del rotor. Para aerogeneradores de velocidad variable se tiene, además, el control de la velocidad. En algunos casos se utilizan sistemas de control diferentes para el arranque, parada y operaciones intermedias Las tecnologías de conversión pueden ser varias según: El tipo de generador que empleen El control de potencia aerodinámico que les caracteriza La necesidad de utilizar caja multiplicadora, o no Empleen convertidor y si éste es para toda la potencia o para parte de la potencia VI.3.- AEROGENERADORES DE VELOCIDAD CONSTANTE En los aerogeneradores de velocidad constante, pala fija y regulación por stall, equipados con generador de inducción asíncrono rotor jaula de ardilla conectado directamente a la red, sin convertidor, es necesario utilizar una caja multiplicadora y un compensador de reactiva para reducir la demanda de potencia reactiva a la red (una solución menos económica consistiría en introducir un convertidor). Para compensar el consumo de reactiva van equipados con un banco de condensadores. Los aerogeneradores de la Fig VI.3, series I, II y III, están conectados directamente a la red, sin convertidor, por lo que no es posible controlar rápidamente la potencia activa. La regulación pasiva por pérdida aerodinámica I no permite limitar la potencia. Si se desea un control que no provoque tantos problemas estructurales se recurre a la regulación Aerogeneradores modernos.vi.-137

6 activa ya sea por variación del ángulo de paso I ó por pérdida activa aerodinámica III. Para evitar las altas corrientes de arranque se usa un soft-starter, (arrancador suave). En los modelos de mayor potencia, Fig VI.4, tipo IV hasta 2 MW, se incorpora un active stall en el que la pala puede girar hasta 10º, para ajustar mejor el perfil de stall (pérdida) en la zona de altos vientos (18 25 m/seg); algunos modelos están equipados con dos generadores, uno de potencia nominal para vientos medios y altos, y el otro de una fracción de la misma para funcionar a bajas potencias en caso de vientos bajos; necesita un compensador de reactiva en funcionamiento continuo y un arrancador suave. Ante los problemas mecánicos a que se ve sometido el sistema cuando se producen ráfagas de viento, algunos fabricantes han optado por generadores de rotor bobinado que permiten añadir resistencias en el rotor para variar la velocidad en un pequeño rango, controladas con el convertidor electrónico (de poca tensión y elevada corriente), permitiendo actuar sobre la velocidad en la que trabaja el generador. Es, por lo tanto, un controlador dinámico del deslizamiento que ofrece un campo de variación de la velocidad desde la de sincronismo, hasta un 10% más cuando la resistencia del rotor es máxima. Para evitar la presencia de anillos rozantes, las señales de control se transmiten mediante una conexión óptica (sistema Opti Slip), que es una variante interesante del generador de inducción de deslizamiento variable que evita los problemas que introducen los anillos rozantes, las escobillas, las resistencias externas y el mantenimiento. Fig VI.3.- Aerogenerador con generador de inducción, sin convertidor: Tipo I con regulación de potencia por variación del ángulo de paso; tipo (II) por pérdida aerodinámica; tipo (III) por perdida aerodinámica activa Campo de velocidad más alto; Tensiones mecánicas más bajas ; Menores pulsaciones en la red Mantiene la compensación de energía reactiva ; Usa básicamente colector de anillos Mejora en OptiSlip (no anillos) ; Campo de velocidades limitado al 5-10% de la velocidad nominal Elevadas pérdidas de energía en el rotor Fig VI.4.- Aerogenerador (Tipo IV) con generador de inducción de rotor bobinado con una resistencia variable controlada por un convertidor, caja multiplicadora y compensador de reactiva Aerogeneradores modernos.vi.-138

7 Fig VI.5.- Medidas de la velocidad del viento, velocidad del rotor, ángulo de las palas y potencia de salida Montando las resistencias externas y el sistema electrónico en el rotor, el problema de cómo comunicarle al rotor la cantidad de deslizamiento que necesita, lo resuelve usando comunicaciones de fibra óptica, enviando la señal a través de la electrónica del rotor cada vez que pasa por una fibra óptica fija. Comportamiento respecto a la red.- Estas aeroturbinas transmiten las variaciones de potencia del viento a la red sin amortiguarla, por lo que la potencia de salida a la red es muy variable, con fuertes picos en caso de ráfagas de viento. También transmiten el efecto de interferencia que hacen las palas al pasar delante de la torre, en la región de 3 8 Hz, lo que es una causa de flicker, (parpadeo). La regulación de la frecuencia de la velocidad de giro es sólo posible si se puede cambiar el número de polos de la máquina o se tienen dos generadores (uno para vientos medios y altos, y otro para vientos bajos). Lo mismo sucede con la regulación de la tensión ya que siempre está consumiendo reactiva, pudiéndose regular sólo un pequeño margen con la batería de condensadores para obtener un factor de potencia (cos ϕ) próximo a la unidad. Ante los huecos de tensión reacciona aumentando la velocidad de giro de las palas ya que el par eléctrico resistente se reduce con el cuadrado de la tensión, al disminuir ésta por el hueco. Para evitar el embalamiento de la máquina, ésta se desconecta para protegerla de la sobrevelocidad. Sin embargo, si la duración del hueco es pequeña, por despejarse rápidamente la falta que lo ha producido, se aplica de nuevo el par resistente eléctrico frenándose la máquina. La inestabilidad de la máquina depende del tiempo que se tarde en eliminar la falta, por lo que se puede establecer un tiempo mínimo para evitar que se disparen las protecciones de sobrevelocidad de la máquina. El tipo de falta, es decir su severidad y grado de generación eólica (magnitud del viento) en el momento de producirse el hueco, influyen en la aceleración que adquiere el aerogenerador, por ser diferentes los pares eléctrico y mecánico producidos. VI.4.- AEROGENERADORES DE VELOCIDAD VARIABLE a) Con control Pitch, equipados con generador asíncrono de rotor devanado y convertidor electrónico entre el rotor y la red El estator está acoplado directamente a la red a través de un transformador; el rango de variación de la velocidad del generador es en uno de cuatro polos, desde rpm. La caja multiplicadora es de tres etapas, con una relación de multiplicación 1/60. El control de la potencia es más exacto ya Aerogeneradores modernos.vi.-139

8 que se recurre a una regulación activa, variando el ángulo de paso, ó variando la velocidad, optimizando la energía extraída del viento a distintas velocidades del mismo. Con el uso de convertidores (ya sean pequeños convertidores que controlan la corriente de excitación, como convertidores para toda la potencia del generador) se pueden controlar las corrientes de las dos partes del convertidor, el lado del rotor (rectificador) y el lado de la red (inversor), controlando la energía activa y reactiva descargadas en la red, mejorando la interacción con la red respecto a las condiciones de régimen permanente, la calidad de suministro y la estabilidad de tensión y fase. Al controlar la corriente de la parte de la red I d se obtiene el control de la potencia reactiva por medio de la corriente directa del estator, ligada al flujo del estator. Al controlar la corriente de la parte del rotor I q se controla la intensidad en cuadratura ligada al par y, por consiguiente, la potencia activa. Las variaciones rápidas del viento se controlan y suavizan por el convertidor electrónico por su menor tiempo de respuesta; las variaciones del viento más lentas se gobiernan por la actuación del mecanismo de control de paso, mediante actuadores mecánicos que modifican el ángulo de ataque de la pala. La regulación del convertidor junto con la regulación del paso de la pala, permiten obtener una curva de salida de potencia con menos variaciones que en los casos I a IV. El tipo V Fig VI.6 utiliza un convertidor (formado por dos unidades back to back de IGBT unidos por una conexión en CC con un condensador de alisamiento) cuya potencia es del orden del 25 al 30% de la potencia nominal de la turbina. El empleo de semiconductores permite la utilización de convertidores para potencias y frecuencias cada vez mayores, posibilitando, como sabemos, el control de la potencia activa, de la reactiva y de la velocidad por encima y por debajo de la velocidad síncrona del generador. La potencia nominal del rotor es proporcional a la potencia nominal del estator por lo que, teóricamente, la variación de la velocidad puede ser del 100%, pero se reduce normalmente a un 30%; de esta forma, la electrónica de potencia se dimensiona para un valor cercano a 1/3 de la potencia nominal del generador. Campo de velocidades limitado entre -50% a + 30% alrededor de la velocidad sincrónica Convertidor de energía a escala reducida (bajas pérdidas de energía) (bajo precio) Control completo de energía activa Pact y de reactiva Qreact ; Necesita colector de anillos y caja de engranajes Fig VI.6.- Aerogenerador (Tipo V), con generador de inducción doblemente alimentado,convertidor para el rotor bobinado, caja multiplicadora y compensador de reactiva Comparado con las configuraciones con generador de inducción I a IV, ofrece mayores posibilidades de control. Las variaciones de la velocidad del rotor se compensan ajustando las corrientes del rotor; la presencia del convertidor permite que este tipo V pueda controlar la potencia activa y reactiva, lo que le Aerogeneradores modernos.vi.-140

9 da un mejor comportamiento de cara a la conexión a red, sin necesidad de compensador de reactiva, pero sí con un arrancador suave. Comportamiento respecto a la red.- Las turbinas de velocidad variable y generador doblemente alimentado (DFIG) tienen unas posibilidades de control mayores: La regulación de tensión se puede hacer actuando sobre la parte del convertidor conectado a la red controlando su corriente I d. Se puede absorber o producir potencia reactiva aunque su rango de variación depende de las dimensiones del convertidor. La regulación de la frecuencia es posible actuando sobre la parte del convertidor del lado del rotor, que hace variar el par y, por consiguiente, la potencia entregada; sin embargo, su capacidad para poder soportar huecos de tensión es limitada; ante huecos importantes se deberá desconectar de la red. No obstante, existen soluciones para evitar esta desconexión en base al uso de IGBT sobredimensionados y a separar transitoriamente el estator de la red mediante un dispositivo electrónico, lo que evita que se reflejen las corrientes estatóricas elevadas en el rotor por efecto transformador. También se puede cortocircuitar el rotor por medio de un dispositivo llamado active crowbar con dos disposiciones de diodos o tiristores situados entre el rotor y la parte del convertidor conectado a él, con lo que se evita que las elevadas corrientes del rotor entren en el convertidor y, posteriormente, una vez que se detecta que se han alcanzado valores normales, volver a conectar el convertidor. b) Con control de paso de pala, equipados con generador síncrono, salvo el VI, acoplados directamente al eje de la turbina VIII y IX ó a través de una caja multiplicadora VI y VII.- La última tecnología de aerogeneradores de velocidad variable utiliza un convertidor de frecuencia para toda la potencia del generador, que desacopla totalmente el generador de la red eléctrica de corriente alterna. A la salida del generador en alterna de frecuencia variable, se acopla un convertidor electrónico formado por un rectificador y un inversor unidos por un enlace de CC. La salida del inversor se hace a la frecuencia de la red. Toda la potencia de la turbina pasa por el convertidor el cual se diseña para soportar la potencia nominal de la turbina, a diferencia del caso V El generador puede ser asíncrono con caja multiplicadora, Fig VI.7, tipo VI, o síncrono de rotor bobinado, por lo que es necesario un convertidor para la corriente de excitación en tipos VI, VII y VIII, ó con rotor de imanes permanentes en el tipo IX. Amplia gama de velocidades ; No escobillas en el generador; Tecnología comprobada Necesita caja de engranajes ; Control completo de energía activa P act y de reactiva Qreact Fig VI.7.- Aerogenerador tipo VI, con generador asíncrono, caja multiplicadora y convertidor para toda la potencia Aerogeneradores modernos.vi.-141

10 Amplia gama de velocidades ; Posibilidad de eliminar la caja de engranajes (generador síncrono multipolos) Control completo de energía activa P act y de reactiva Q react Necesita colector de anillos ; Generador multipolo grande y pesado ; Convertidor de energía a gran escala Fig VI.8.-Aerogenerador tipo VII, con generador síncrono excitado mediante un pequeño convertidor, caja multiplicadora y otro convertidor para toda la potencia del generador Tipo VI.9.- Aerogenerador tipo VIII, con generador síncrono multipolos, excitado mediante un convertidor de potencia parcial, con caja multiplicadora y otro convertidor para toda la potencia del generador Amplia gama de velocidades ; Elimina la caja de engranajes Sin escobillas (mantenimiento reducido) ; Control completo de energía activa P act y reactiva Qreact Generador multipolo grande y pesado ; Convertidor de energía a gran escala ; Necesita imanes permanentes Fig VI.10.- Aerogenerador tipo IX, con generador síncrono multipolos de imanes permanentes, sin caja multiplicadora y con convertidor para toda la potencia del generador Fig VI.11.- Transformadores electrónicos de potencia básica Aerogeneradores modernos.vi.-142

11 Comportamiento respecto a la red.- El generador puede ser síncrono o asíncrono. Estas máquinas pueden regular la frecuencia con menos problemas actuando sobre la parte del convertidor del lado de la turbina. Sin embargo, para aumentar la frecuencia, el generador tiene que estar funcionando a una potencia inferior a la nominal o tener un parque con una potencia instalada superior a la nominal; en ambas situaciones el parque no produce a la máxima potencia. La regulación de tensión es posible actuando sobre la parte del inversor; si se necesita un amplio campo de regulación de tensión, se debe sobredimensionar el inversor. Las líneas rojas corresponden a una aeroturbina de velocidad fija; la velocidad del rotor y el ángulo pitch son constantes Las azules son representativas de una turbina de velocidad variable con generador de inducción con doble alimentación Las negras son representativas de una turbina de velocidad variable y conexión directa al generador Fig VI.12.- Medidas de la velocidad del viento, velocidad del rotor, ángulo de las palas y energía generada, para tres diseños de aeroturbina Respecto a la regulación de potencia y tensión (control de reactiva), el generador síncrono con convertidor al 100% de la potencia nominal, ofrece un mejor comportamiento frente a transitorios y una Aerogeneradores modernos.vi.-143

12 mayor flexibilidad que los dos grupos anteriores I a V. En cuanto a la posibilidad de soportar huecos producidos por faltas, el generador síncrono los soporta actuando sobre los IGBT de la parte de red, reduciendo el incremento de corriente que se produce tras el hueco. El suministro de corriente de alimentación cuando la falta ésta todavía sin despejar, es muy problemático dado que toda la corriente debe pasar a través del convertidor por lo que éste se puede sobredimensionar ó también desconectar para volverlo a reconectar una vez despejada la falta. VI.5.- CONEXIÓN ROTOR-ALTERNADOR Si se dispone de un generador ordinario conectado directamente a una red trifásica de CA a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 r.p.m. Con un rotor de 43 m de diámetro, esto implicaría una velocidad en el extremo del rotor supersónica, por lo que hay que abandonar esta opción. La conexión rotor-alternador está formada por todos los elementos que se encargan de transmitir la energía del eje de baja velocidad, hasta el de alta velocidad. El acoplamiento entre el eje de baja velocidad, que transmite el par de la aeroturbina, al eje de alta velocidad del alternador, se realiza a través del eje principal, la caja multiplicadora, un acoplamiento flexible entre ésta y el alternador para proteger a la caja multiplicadora de las puntas de par, y el eje de alta velocidad. Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos; pero si se conecta el generador directamente a la red para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m. tendría 200 polos (300 imanes). Fig VI.13.- Eje largo y cojinetes separados. Caja de engranajes apoyada por el eje como viga empotrada a la torsión Fig VI.14.- El cojinete posterior integrado en la caja de engranajes, montada en el bastidor Fig VI.15.- Los cojinetes del rotor totalmente integrados en la caja de engranajes Fig VI.16.- Cojinetes del rotor sobre un árbol hueco inmóvil Transmisión de energía por un eje sometido a torsión Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional al par de torsión que tiene que manejar, por lo que un generador accionado directamente será muy pesado y caro; por lo tanto se precisa menos par motor y más velocidad de rotación, por lo que la solución práctica es utilizar un multiplicador, que permite la conversión entre la potencia de alto par motor, que se ob Aerogeneradores modernos.vi.-144

13 tiene del rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de bajo par de torsión, a alta velocidad, que se utiliza en el generador. Relación de transmisión= n generador n turbina = n turbina = 30 v TSR π R n generador = 60 f z = 60 f z 30 v TSR π R = 2 π R f z v TSR en la que z es el nº de pares de polos del alternador y f la frecuencia de la corriente eléctrica La caja multiplicadora de la turbina eólica tiene, normalmente, una única relación de multiplicación entre la rotación del rotor y el generador; para una máquina de 600 a 750 kw, la relación de multiplicación suele ser de 50/1. VI.6.- SISTEMAS DE CONEXIÓN A LA RED Conexión indirecta de aerogeneradores a la red.- Con la conexión indirecta a la red es posible que la turbina gire dentro de una amplia gama de velocidades del viento. En el mercado se ofertan turbinas con un deslizamiento de hasta un ±35%. Si el generador funciona a velocidad variable, la frecuencia variará ampliamente. Corriente alterna Corriente alterna Corriente alterna de frecuencia variable conmutada a la frecuencia de la red Fig VI.17.- Tipos de señal eléctrica La corriente alterna necesita, por lo tanto, ser transformada para emparejar su frecuencia a la de la red eléctrica pública. Hay tres partes importantes en estos sistemas: generador, corriente directa DC-rectificador y corriente alterna AC-inversor. El primer paso es convertir la corriente fluctuante en DC. A continuación la DC se invierte a la AC con exactamente la misma frecuencia que la red pública. El inversor produce clases diferentes de armónicos que se tienen que filtrar antes de alcanzar la red pública. Generación de corriente alterna AC a frecuencia variable.- La mayoría de los aerogeneradores funcionan a una velocidad casi constante con conexión directa a la red. Sin embargo, con conexión indirecta a red, el generador de la aeroturbina funciona en su propia minired de corriente alterna que está controlada electrónicamente (utilizando un inversor), por lo que se puede variar la frecuencia de la corriente alterna en el estator del generador. De esta forma se puede hacer funcionar a la turbina a una velocidad de giro variable y se generará corriente alterna exactamente a la frecuencia variable aplicada al estator. El generador puede ser síncrono o asíncrono, y si tiene muchos polos la turbina puede tener una caja multiplicadora, o no. Aerogeneradores modernos.vi.-145

14 Conversión a corriente continua CC.- La corriente alterna de frecuencia variable no se puede tratar en la red, por lo que previamente habrá que rectificarla, convirtiéndola en corriente continua CC). La conversión de corriente alterna de frecuencia variable a corriente continua se puede hacer utilizando tiristores o grandes transistores de potencia. Fig VI.18.- Esquema de sistemas de conversión de energía eólica en eléctrica Conversión a corriente alterna de frecuencia fija.- La corriente continua (fluctuante) se convierte en corriente alterna (utilizando un inversor) de exactamente la misma frecuencia que la de la red eléctrica pública. Esta conversión de corriente alterna en el inversor también se puede hacer utilizando tiristores o transistores de potencia, que son grandes interruptores de material semiconductor que funcionan sin partes mecánicas. A primera vista, la clase de corriente alterna que se obtiene de un inversor no tiene nada que ver con la suave curva sinusoidal de la corriente alterna, sino una serie de saltos bruscos en la tensión y en la corriente. Filtrado de la corriente alterna.- Las formas de onda rectangulares se pueden suavizar mediante filtros utilizando las inductancias y condensadores apropiados. Sin embargo, la apariencia más o menos dentada de la tensión no desaparece completamente. Ventajas de la conexión indirecta a red; velocidad variable.- La ventaja de la conexión indirecta a la red es que permite hacer funcionar la turbina eólica a velocidad variable. Permite que el rotor gire más rápido durante las ráfagas de viento, almacenando parte del exceso de energía en forma de energía rotacional hasta que la ráfaga haya terminado. Esto requiere de una estrategia de control muy inteligente, ya que tiene que ser capaz de distinguir entre ráfaga y alta velocidad del viento. De está forma es posible reducir el par torsor máximo (reduciendo el deterioro del multiplicador y del generador), así como las cargas de fatiga en la torre y en las palas del rotor. Otra ventaja es que con la electrónica de potencia se puede controlar la potencia reactiva (es decir, el desfase de la corriente respecto a la tensión en la red de corriente alterna), y así mejorar la calidad de Aerogeneradores modernos.vi.-146

15 potencia de la red eléctrica. Esto es particularmente útil en aerogeneradores funcionando en un red eléctrica débil. Teóricamente, la velocidad variable supone también una ligera ventaja en términos de producción anual, puesto que permite hacer funcionar una máquina a la velocidad óptima de giro, dependiendo de la velocidad del viento. Sin embargo, desde el punto de vista económico la ventaja es tan pequeña que no merece la pena. Desventajas de la conexión indirecta a red.- La desventaja principal de la conexión indirecta a la red es el coste. Como la turbina necesita un rectificador y dos inversores, uno para controlar la corriente del estator, y el otro para generar la corriente de salida, parece ser que el coste actual de la electrónica de potencia excede a los beneficios que reporta el hecho de construir aeroturbinas más ligeras, aunque es posible esto pueda cambiar cuando el coste de la electrónica de potencia disminuya. Las tasas de disponibilidad de estas máquinas están por debajo de las de las máquinas convencionales, debido a fallos en la electrónica de potencia. Otras desventajas son la pérdida de energía en el proceso de conversión CA-CC-CA, y el hecho de que la electrónica de potencia puede introducir distorsión armónica de la corriente alterna en la red eléctrica y, por tanto, reducir la calidad de potencia. VI.7.- COMPORTAMIENTO ANTE LOS HUECOS DE TENSIÓN Hay tres tipos de aerogeneradores instalados en España que se comportan de forma diferente ante los huecos de tensión: Generador asíncrono de jaula de ardilla con velocidad fija de palas Generador asíncrono doblemente alimentado con convertidor entre el rotor del generador y la red Generador síncrono de velocidad de palas variable y convertidor entre la salida del estator y la red. Generador jaula de ardilla.- Al producirse una falta en la red y bajar la tensión en los terminales de la misma, se produce una aceleración del rotor, que produce una elevación de la velocidad de la máquina, lo que provoca la actuación de las protecciones que desconectan el generador del sistema eléctrico. Una vez despejada la falta, al recuperarse la tensión de la red, la máquina absorbe una gran cantidad de reactiva, que dificulta la recuperación de la tensión de la red en el punto de conexión. Este tipo de aerogenerador no cumple con el Procedimiento Operativo que especifica que el consumo de reactiva no debe ser superior al 60% de la potencia nominal del aerogenerador. La solución consiste en instalar un SVC (Static Voltage Compensator) para el generador o para el parque eólico, que suministre la energía reactiva y mantenga la tensión del mismo. Fig VI.19.- Crowbar activo, formado por diodos y un IGBT Generador asíncrono doblemente alimentado.- Estos aerogeneradores tienen acoplado a la salida del rotor un doble convertidor, (rectificador-inversor) con una capacidad del 30% de la potencia nominal del generador, para rectificar primero y ondular posteriormente las corrientes del rotor e inyectarlas en la red. Cuando se produce una falta se eleva la corriente del estator, aumentando bruscamente la corriente del rotor por efecto transformador. La sobreintensidad tiene que pasar por el convertidor del lado de la red en su camino hacia la misma, por lo que si no se reduce su valor puede resultar dañado el convertidor. Existen varias soluciones técnicas para conseguir que ésto no ocurra: Aerogeneradores modernos.vi.-147

16 a) Una consiste en utilizar el crowbar activo, Fig VI.19, (formado por diodos y un IGBT) que consiste en provocar un cortocircuito a la salida del rotor cuando se detecta el incremento de corriente, convirtiendo el generador en uno de jaula de ardilla. Una vez desaparecida la falta se vuelve a la condición inicial b) Otra consiste en insertar, al inicio de la falta, unas resistencias en el bus de continua entre los convertidores del lado del rotor y del lado de la red Para conseguir que la tensión de continua no sobrepase sus límites nominales, se puede utilizar en lugar de las resistencias un elemento de almacenamiento de energía tipo batería, o superconductores, devolviendo la energía almacenada a la red una vez eliminada la falta; en este caso, es necesario aumentar la capacidad del convertidor El convertidor, con el control adecuado en el inversor, puede producir energía reactiva que ayude en la recuperación de la tensión después de despejada la falta. Tabla VI.1.- Resumen de algunos modelos de aerogeneradores modernos Modelo Aeroturbina Control Concepto Voltaje Rango velocidad Rango velocidad Potencia (MW) Velocidad generador(rpm) rotor (rpm) VESTAS V 80- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG Generador Dinamarca 2 MW Variable limitada 690 V VESTAS V 80- Tipo C1 Pitch WRIG/OPTI-SLIP Generador ,5-16,8 Dinamarca 1,8 MW Variable limitada 690 V ENERCON E112- Tipo D1 Pitch WRSG Generador Alemania 4,5 MW Variable completa Caja engranajes 440 V ENERCON E66- Tipo D1 Pitch WRSG Alemania 2 MW Variable completa Caja engranajes NEG MICON NM 80- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG Estator/rotor ,5 Dinamarca 2,75 MW Variable limitada 960 V/690 V NEG MICON NM 72- Tipo A2 Parada activa SCIG Generador 2 velocidades 2 velocidades Dinamarca 2 MW Fija 960 V 1002,4/1503,6 12/18 GAMESA G 83- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 690 V España 2 MW Variable limitada GAMESA G 80- Tipo B1 Pitch WRIG/OPTI-SLIP 690 V ,1-16,1 España 1,8 MW Variable limitada GE WIND Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 8,5-13,5 USA 2,2 MW Variable limitada GE WIND Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG USA 1,5 MW Variable limitada BONUS Tipo A2 Parada activa SCIG 690 V 2 velocidades 2 velocidades Dinamarca 2,3 MW Fija 1000/ /17 BONUS Tipo A2 Parada activa SCIG 690 V 2 velocidades 2 velocidades Dinamarca 2 MW Fija 1000/ /17 NORDEX N 80- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 660 V ,9-19,9 Alemania 5 MW Variable limitada NORDEX S 77- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 690 V ,9-17,3 Alemania 5 MW Variable limitada MADE MADE AE-90 Pitch WRSG 1000 V ,4/14,8 España Tipo D1-2 MW Variable completa MADE MADE AE-81 Parada SCIG 690 V 2 velocidades 2 velocidades España Tipo A0-1,3MW Fija 1010/ ,5/18,8 REPOWER MM 82- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 690 V Alemania 2 MW Variable limitada REPOWER MD 77- Tipo C1 Pitch WRIG/DFIG 690 V ,6-17,3 Alemania 1,5 MW Variable limitada ECOTECNIA Ecotecnia 74 Pitch WRIG/DFIG 690 V España Tipo C1-1,67 MW Variable limitada ECOTECNIA Ecotecnia 62 Parada activa SCIG 690 V 2 velocidades 2 velocidades España Tipo A0-1,25 MW Fija 1012/ ,4/18,6 Aerogeneradores modernos.vi.-148

17 Generador síncrono de velocidad variable.- Estos generadores tienen instalado un doble convertidor por el que pasa toda la anergía absorbida de la fuerza del viento a la red. El generador está desacoplado de la red eléctrica, por lo que las perturbaciones transitorias de la tensión de corta duración de la red no le afectan grandemente y soporta los huecos de tensión sin mayores problemas VI.8.- OTROS COMPONENTES Controlador electrónico de la turbina eólica.- Consta de varios ordenadores que continuamente supervisan las condiciones de la turbina eólica, y recogen estadísticas de su funcionamiento. Como su propio nombre indica, controla un gran número de interruptores, bombas hidráulicas, válvulas y motores dentro de la turbina. Cuando el tamaño de una turbina eólica crece con los MW, se hace necesario que su tasa de disponibilidad sea alta, es decir, que funcionen de forma segura todo el tiempo. Comunicación con el exterior.- El controlador se comunica con el operador de la turbina eólica mediante un enlace de comunicación, por ejemplo, enviando alarmas o solicitudes de servicio a través del teléfono o de un enlace radiofónico. También es posible llamar a la aeroturbina para que recoja estadísticas, y revise su estado actual. En parques eólicos, normalmente una de las turbinas estará equipada con un PC, conectado a una línea telefónica o a un enlace radiofónico, desde el que es posible controlar y recoger datos del resto de los aerogeneradores del parque. Comunicaciones internas.- Normalmente, suele haber un controlador en la parte inferior de la torre y otro en la góndola. En los modelos recientes de aerogeneradores, la comunicación entre controladores se suele hacer utilizando fibra óptica. En algunos modelos recientes, hay un tercer controlador situado en el cubo del rotor. Esta unidad se suele comunicar con la góndola utilizando comunicaciones en serie, a través de un cable conectado con anillos rozantes y escobillas al eje principal. Mecanismos de autoprotección.- Los ordenadores y sensores suelen estar por duplicado (son redundantes) en todas las áreas de precisión, de seguridad o de servicio, de las máquinas grandes más nuevas. El controlador compara continuamente las lecturas de las medidas en toda la turbina eólica, para asegurar que tanto los sensores como los propios ordenadores funcionan correctamente. Es posible monitorizar o fijar alrededor de entre 100 y 500 valores de parámetros en una turbina eólica moderna. Por ejemplo, el controlador puede contrastar la velocidad de rotación del rotor, el generador, su voltaje y corriente. También se pueden realizar medidas de: La temperatura del aire exterior, del aceite en el multiplicador, de los devanados del generador, de los cojinetes del multiplicador, etc La presión hidráulica El ángulo de paso de cada pala del rotor (en máquinas de regulación por cambio del ángulo de paso (pitch controlled), o de regulación activa por pérdida aerodinámica (active stall controlled) El ángulo de orientación (contando el número de dientes en la corona de orientación) El número de vueltas en los cables de alimentación La dirección y velocidad del viento El tamaño y frecuencia de las vibraciones en la góndola y en las palas del rotor El espesor de las zapatas del freno Aerogeneradores modernos.vi.-149

18 Si la puerta de la torre está abierta o cerrada (sistema de alarma), etc Estrategias de control.- Muchos de los secretos de empresa de los fabricantes de aerogeneradores se encuentran en la forma en que el controlador interacciona con los componentes de la turbina eólica. Las mejores estrategias de control son responsables de una parte importante del crecimiento de la productividad de los aerogeneradores en los últimos años. Una estrategia interesante seguida por algunos fabricantes es la de adaptar la estrategia operacional al clima eólico local. De esta forma es posible, por ejemplo, minimizar el desgaste y la rotura de la máquina durante los periodos de clima tormentoso. Control de la calidad de la potencia en aerogeneradores.- El controlador no es sólo una unidad que hace funcionar el aerogenerador; por ejemplo, que orienta la turbina en contra del viento, que vigila que los sistemas de seguridad funcionen correctamente y que conecta la turbina. sino que también vigila la calidad de potencia de la corriente generada por la turbina eólica. Por lo que respecta a la calidad de la potencia las compañías exigen que la conexión a red de los aerogeneradores se realice suavemente, y qué requerimientos tienen respecto a que la corriente alterna y la tensión se muevan de forma sincronizada la una respecto a la otra. Control de la potencia reactiva.- Normalmente, la tensión y la corriente se miden 128 veces por ciclo de corriente alterna (es decir, 50 x 128 = 6400 veces por segundo (Europa) ó 60 x 128 = 7680 veces por segundo (USA), dependiendo de la frecuencia de la red eléctrica). Partiendo de ésto, un procesador DSP calcula la estabilidad de la frecuencia de la red, así como la potencia activa y reactiva de la turbina (la componente reactiva de la potencia es básicamente una cuestión de si la tensión y la corriente están o no en fase). Para asegurar que la calidad de potencia sea la adecuada, el controlador debe conectar y desconectar un gran número de condensadores eléctricos, que ajustarán la potencia reactiva. Aerogeneradores modernos.vi.-150

19 ANEXOS a) GENERADORES SÍNCRONOS Principios de un generador trifásico (o motor).- Todos los generadores trifásicos utilizan un campo magnético giratorio. En la Fig VI.a1 se han instalado tres electroimanes alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica. Como se puede ver, cada electroimán produce alternativamente un polo norte y un polo sur hacia el centro. Las letras están en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos circula en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada imán es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético da una vuelta completa por ciclo. Fig VI.a1.- Tres electroimanes alrededor de un círculo Motor síncrono bipolar de imán permanente Operación de un motor síncrono.- El rotor es la aguja de la brújula (con el polo norte de rojo) que sigue exactamente el campo magnético, y completa una revolución por ciclo. En una red de 50 Hz, la aguja completa 50 revoluciones por segundo, lo que equivale a 50 x 60 = 3000 r.p.m. La razón por la que se le llama motor síncrono es que el imán del centro gira a una velocidad constante síncrona, (girando exactamente como el ciclo), con la rotación del campo magnético. Se le llama bipolar porque tiene un polo norte y un polo sur. Puede parecer tripolar, pero de hecho la aguja de la brújula experimenta la tracción de la suma de los campos magnéticos que están alrededor de su propio campo magnético, por lo que si el imán de la parte superior es un polo sur fuerte, los dos imanes de la parte inferior equivalen a un polo norte fuerte. Se le llama motor de imán permanente debido a que la aguja de la brújula del centro es un imán permanente, y no un electroimán (se podría fabricar un motor real sustituyendo la aguja de la brújula por un potente imán permanente, o un electroimán que mantenga su magnetismo gracias a una bobina, arrollada alrededor de un núcleo de hierro, alimentada con corriente continua). El montaje de los tres electroimanes es el estator del motor. Si se empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de la red lo mueva), trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red. Cuanto más par se le aplique, más electricidad producirá, aunque el generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. Aeroturbinas con generadores síncronos.- Los devanados del estator, desde un punto de vista constructivo, son iguales que los de una máquina asíncrona. El inductor, en el generador síncrono, es el rotor que alberga los polos generadores del campo magnético que induce la circulación de corriente en los devanados del estator. El rotor puede ser devanado o de imanes permanentes. Aerogeneradores modernos.vi.-151

20 Si el rotor es devanado, la corriente de excitación se suministra mediante anillos rozantes y escobillas o mediante una excitatriz. La ventaja es la posibilidad de regular potencia reactiva y la desventaja es la necesidad de adecuar la velocidad de giro del eje de alta velocidad a la velocidad de sincronismo. El proceso de sincronización para la conexión de estos generadores requiere el ajuste de la velocidad de giro del rotor y del ángulo de par (ángulo que forma la tensión de la red en el punto de conexión con la fuerza electromotriz inducida en el estator), ambos valores deberán ser cercanos y conseguirlo es difícil debido a que el par de la turbina cambia constantemente con las ráfagas de viento. Una vez conectado el aerogenerador a la red, la velocidad de rotación de la máquina puede ser constante o variable si la conexión a red se realiza mediante un convertidor variando las frecuencias de las corrientes sobre el inducido. Para aerogeneradores a velocidad constante, sólo existirá un punto de funcionamiento para el cual la máquina está operando con el máximo rendimiento. Si el rotor es de electroimanes alimentados por continua de la red eléctrica, dado que la red suministra corriente alterna, hay que convertir la corriente alterna en corriente continua antes de enviarla a las bobinas de los electroimanes del rotor, conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el eje del generador. Sistema de acoplamiento directo aeroturbina-generador síncrono.- La velocidad de giro de un generador estándar es del orden de 1500 rpm mientras que una velocidad típica de la aeroturbina está entre 15 y 60 rpm, por lo que se precisa de una caja de engranajes entre el generador y el rotor. Utilizando un generador de baja velocidad, la turbina se puede acoplar directamente al mismo; la ventaja de este tipo de acoplamiento directo está en un costo más bajo que en los sistemas con caja de engranajes, menor longitud de la barquilla, mejora de la eficiencia, etc. Como la velocidad del generador es del orden de 15 a 60 rpm para que la caja de engranajes sea innecesaria, se requiere que el número de polos sea suficientemente grande para generar una señal de frecuencia apropiada a la salida; respecto a un generador normal, el generador de acoplamiento directo es más grande. Cambio de la velocidad de rotación del generador.- La velocidad de un generador que está directamente conectado a una red trifásica es constante y está impuesta por la frecuencia de la red. Sin embargo, si se dobla el número de imanes que hay en el estator, se puede asegurar que el campo magnético girará a la mitad de la velocidad; el campo magnético se mueve en el sentido de las agujas del reloj durante media revolución antes de alcanzar de nuevo el mismo polo magnético; simplemente se han conectado los seis imanes a las tres fases en el sentido de las agujas del reloj. Número de polos 50 Hz 60 Hz Fig VI.a.2 Este generador tiene en todo momento cuatro polos (dos pares), dos polos sur y dos polos norte. Dado que un generador sólo completa media revolución por ciclo, obviamente dará 25 revoluciones por Aerogeneradores modernos.vi.-152